基于氢氧稳定同位素的海河流域水文过程与水量平衡研究

海河流域是我国水资源问题最为严峻的流域之一，本申请项目将在该流域内开展稳定同位素水文学研究。通过在流域内设立站点采集降水、河水、湖水和地下水样品，在实验室内分析其氢氧稳定同位素组成，来研究流域内不同水体稳定同位素的变化规律及其影响机制。运用流域水体稳定同位素数据与相应的气象水文数据建立流域水文循环稳定同位素分馏过程模型，揭示流域内主要的水文过程与水量平衡，主要包括大气环流对降水稳定同位素的影响，流域规模和地表景观对水体滞流时间的影响,降水径流季节动力学特征及流域规模的水量平衡。该项研究将和传统的水文学方法相互验证，为流域水资源的合理规划与利用提供科学依据。

水体中氢氧稳定同位素已广泛应用于现代水文气候过程和古环境研究，本申请项目在我国海河流域内设立站点收集降水、河水和地下水样，通过分析其氢氧稳定同位素组成，对该地区不同水体同位素特征、大气环流、水汽动力和水文过程进行了研究；同时，利用北美地区现代降水、湖泊沉积和石笋同位素记录研究了PNA大气环流变化及其同位素空间表征。主要获得以下几个成果：(1) 本项目获取了海河流域10个降水站点、9个水文站点和4个地下水站点共计1690个水样的氢氧同位素数据，为该地区水文气候研究积累了同位素资料。(2) 中国大气水汽同位素在年与季节尺度上均由沿海低海拔地区向西北及高海拔地区递减，但空间上存在着明显的季节差异；在季风地区，水汽同位素值夏秋低而冬春较高，在非季风地区，水汽同位素则相反；夏季期间，由于西北内陆降水同位素的云底再蒸发效应，降水与水汽同位素呈相反的空间模式。(3) 海河流域降水同位素季节变化具有明显的空间差异， 南部地区同位素值季风期相对贫化，非季风期相对富集， 而流域北部地区则相反；季风期间受海洋水汽(d<8.4‰)影响，流域降水同位素值普遍较低，非季风期间由于大陆水汽(d>14.1‰)影响 ，同位素则以高值为特征。(4) 海河流域降水易受到云底二次蒸发的影响，流域大气水线的斜率和截距均随着降雨量的减小而减小；随着气温的升高和相对湿度的减小，流域云底二次蒸发加剧，导致降雨富集重同位素，而其过量氘及大气水线的斜率和截距减小；与平原地区相比，流域山间盆地受“雨影效应”影响，受到更强的云底二次蒸发影响。(5) 利用通径分析并结合水同位素方法分析了海螺沟流域径流产生的主要过程，研究表明，融水是流域径流产生的主要水源，其大约贡献了径流总量的63-78%，其次是降水，约贡献了径流总量的19-39%。(6)　利用降水同位素观测及大气环流模拟研究了PNA大气环流对北美地区降水同位素的影响，并对其机制进行了分析。(7) 利用石笋和湖泊沉积氧同位素记录重建了中晚全新世以来PNA大气环流模式的变化，研究表明，在千年尺度上PNA模式由中全新世平均负的状态向晚全新世正的状态转变，而在百年尺度上PNA展示了准周期为200年的涛动。(8) 研究了PNA对北美冬季气候极值的影响以及其对外部强迫(如太阳活动和火山爆发)的响应。